Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины

Изложены результаты применения уравнения, предложенного в работе [3], и видоизмененного с помощью энергетической теории применительно к горизонтально осевым ветротурбинам для определения минимального значения относительного диаметра втулки. При этом значении относительного диаметра втулки закрученна...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Белопольский, В.А., Яковлев, А.И., Легошин, Д.В., Вязовик, К.Л.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електродинаміки НАН України 2010
Назва видання:	Гідроенергетика України
Теми:	Наука — науково-технічному прогресу в гідроенергетиці
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38738
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины / В. А. Белопольский, А.И. Яковлев, Д. В. Легошин, К.Л. Вязовик // Гідроенергетика України. — 2010. — № 3. — С. 32-35. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-38738
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-387382018-09-11T22:02:49Z Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины Белопольский, В.А. Яковлев, А.И. Легошин, Д.В. Вязовик, К.Л. Наука — науково-технічному прогресу в гідроенергетиці Изложены результаты применения уравнения, предложенного в работе [3], и видоизмененного с помощью энергетической теории применительно к горизонтально осевым ветротурбинам для определения минимального значения относительного диаметра втулки. При этом значении относительного диаметра втулки закрученная струя воздуха, вышедшего из решетки ветротурбины, не инициирует образование вихревых зон в канале и отрыва потока от его стенок, что способствует стабилизации потока в канале, повышению КПД и эффективности преобразования части кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию вращения вала ротора генератора. Предложенный метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины может найти применение при проектировании ветротурбин с горизонтальной осью вращения любой мощности. При этом появляются возможности для повышения КПД и надежности работы ветроустановки. 2010 Article Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины / В. А. Белопольский, А.И. Яковлев, Д. В. Легошин, К.Л. Вязовик // Гідроенергетика України. — 2010. — № 3. — С. 32-35. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1812-9277 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38738 621.311 ru Гідроенергетика України Інститут електродинаміки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Наука — науково-технічному прогресу в гідроенергетиці Наука — науково-технічному прогресу в гідроенергетиці
spellingShingle	Наука — науково-технічному прогресу в гідроенергетиці Наука — науково-технічному прогресу в гідроенергетиці Белопольский, В.А. Яковлев, А.И. Легошин, Д.В. Вязовик, К.Л. Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины Гідроенергетика України
description	Изложены результаты применения уравнения, предложенного в работе [3], и видоизмененного с помощью энергетической теории применительно к горизонтально осевым ветротурбинам для определения минимального значения относительного диаметра втулки. При этом значении относительного диаметра втулки закрученная струя воздуха, вышедшего из решетки ветротурбины, не инициирует образование вихревых зон в канале и отрыва потока от его стенок, что способствует стабилизации потока в канале, повышению КПД и эффективности преобразования части кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию вращения вала ротора генератора. Предложенный метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины может найти применение при проектировании ветротурбин с горизонтальной осью вращения любой мощности. При этом появляются возможности для повышения КПД и надежности работы ветроустановки.
format	Article
author	Белопольский, В.А. Яковлев, А.И. Легошин, Д.В. Вязовик, К.Л.
author_facet	Белопольский, В.А. Яковлев, А.И. Легошин, Д.В. Вязовик, К.Л.
author_sort	Белопольский, В.А.
title	Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины
title_short	Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины
title_full	Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины
title_fullStr	Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины
title_full_unstemmed	Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины
title_sort	графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины
publisher	Інститут електродинаміки НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Наука — науково-технічному прогресу в гідроенергетиці
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38738
citation_txt	Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины / В. А. Белопольский, А.И. Яковлев, Д. В. Легошин, К.Л. Вязовик // Гідроенергетика України. — 2010. — № 3. — С. 32-35. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Гідроенергетика України
work_keys_str_mv	AT belopolʹskijva grafoanalitičeskijmetodopredeleniâotnositelʹnogodiametravtulkivetroturbiny AT âkovlevai grafoanalitičeskijmetodopredeleniâotnositelʹnogodiametravtulkivetroturbiny AT legošindv grafoanalitičeskijmetodopredeleniâotnositelʹnogodiametravtulkivetroturbiny AT vâzovikkl grafoanalitičeskijmetodopredeleniâotnositelʹnogodiametravtulkivetroturbiny
first_indexed	2025-07-03T20:36:50Z
last_indexed	2025-07-03T20:36:50Z
_version_	1836659518670372864
fulltext	Н А У К А — Н А У К О В О � Т Е Х Н І Ч Н О М У П Р О Г Р Е С У В Г І Д Р О Е Н Е Р Г Е Т И Ц І Гідроенергетика України, 3/2010, ISSN 1812�92773232 ИИ звестно [1, 2, 3] что относительный диаметр втулки рабочего колеса осе� вой турбомашины ν; относительное удлинение лопасти λ; хорда профиля лопасти b; густота решетки и количество лопастей Zл явля� ются взаимозависимыми геометрическими пара� метрами, находящиеся между собой в строгом со� ответствии. Нарушение этого соответствия мо� жет привести к излишней турбулизации воздуш� ного потока в канале, повышению масштабов и интенсивности статистической турбулентности [2]. В конечном итоге это приводит к дополни� тельным затратам кинетической энергии — уменьшению КПД ветроагрегата; снижению энергообмена между потоком воздуха и лопаст� ной решеткой ветротурбины, уменьшению эф� фективности и надежности работы ВЭУ вследст� вие интенсификации пульсационного движения, характеризующего распределение скоростей пульсаций по частотам [2]. Многочисленные эксперименты [3, 4, 5] пока� зали, что в области втулки осевых ветромашин (вентиляторов, компрессоров ветровых турбин) образуется развитая закрученная струя воздуха, индуцирующая вихревые зоны, способные вызы� вать отрыв потока от обтекаемых им стенок кана� ла. При этом расходуется определенное количест� во энергии на создание вихревых зон и закручи� вание струи воздуха при его выходе из лопастной решетки турбомашины. Указанные негативные явления, связанные с изменениями структуры потока в канале и приводящие к снижению эф� фективности и надежности работы ветроэнерго� установки (ВЭУ), возрастают при уменьшении величины относительного диаметра втулки ν [3]. В связи с этим при определении величины от� носительного диаметра втулки необходимо учитывать также влияние на структуру потока в канале закрученности струи воздуха после его выхода из ре� шетки ветротурбины. Ранее [6] были приведены формулы для вычисления относительного диаметра втулки ν, исходя из согласованности значений ν с удлинением лопасти; густотой решетки; величиной хорды профиля лопасти; количеством лопастей ветротурбины. При этом остался в стороне вопрос о влиянии величины ν на харак� тер и структуру потока воздуха, покидающего решетку ветро� турбины. Этот вопрос решен И.В. Брусиловским [3], предложившим зависимость для определения минимально допустимого значения относитель� ного диаметра втулки в функции соотношения между осевой скоростью С2a потока, вышедшего из решетки и скоростью поворота потока С2и, при котором отрыв потока уже не образуется. Как указывается в работах [2, 3], допустимая величина зависит также от того, свободно ли вы� текает закрученная струя воздуха, или она испы� тывает влияние находящегося на ее пути сопро� тивления. В работе [3] приводятся экспериментальные данные, согласно которым воздушный поток по� сле ветротурбины можно полагать недеформиро� ванным и однородным, если от плоскости враще� ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ДИАМЕТРА ВТУЛКИ ВЕТРОТУРБИНЫ БЕЛОПОЛЬСКИЙ В. А., канд. техню наук, ЯКОВЛЕВ А.И., докт. техн. наук, професор, ЛЕГОШИН Д. В., ассистент, ВЯЗОВИК К.Л., аспирант, Национальный аэрокосмический университет "ХАИ" им. Н.Е. Жуковского УДК 621.311 БЕЛОПОЛЬСКИЙ В.А. ЛЕГОШИН Д. В. ЯКОВЛЕВ А.И. ВЯЗОВИК К.Л. Изложены результаты применения уравнения, предложенного в работе [3], и видоизмененного с помощью энергетической теории применительно к горизонтально�осевым ветротурбинам для опреде� ления минимального значения относительного диаметра втулки. При этом значении относительного диаметра втулки закрученная струя воздуха, вышедшего из решетки ветротурбины, не инициирует образование вихревых зон в канале и отрыва потока от его стенок, что способствует стабилизации по� тока в канале, повышению КПД и эффективности преобразования части кинетической энергии воз� душного потока в механическую энергию вращения вала ротора генератора. Предложенный метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины может най� ти применение при проектировании ветротурбин с горизонтальной осью вращения любой мощности. При этом появляются возможности для повышения КПД и надежности работы ветроустановки. Гідроенергетика України, 3/2010, ISSN 1812�9277 3333 Н А У К А — Н А У К О В О � Т Е Х Н І Ч Н О М У П Р О Г Р Е С У В Г І Д Р О Е Н Е Р Г Е Т И Ц І ния ветроколеса до рассматриваемого сечения по� тока воздуха сохраняется расстояние l ≤ 0,67 (D — диаметр ветротурбины). В этом случае для сво� бодно выходящего из лопастей решетки закру� ченного воздушного потока зависимость ϕ (ν), предложенная И.В. Брусиловским, определяю� щая минимально допустимую величину относи� тельного диаметра втулки ν, имеет следующий вид: . (1) где m — параметр функции ϕ (ν). В случае осевых вентиляторов и компрессоров m = 0,5 [3]. Массо� вые расчеты и исследования показали, что для ве� тротурбин с горизонтальной осью вращения ве� личина параметра m = f(ν). В этом случае выра� жение (1) перепишется в виде: . (2) В соответствии с рекомендациями авторов работы [3] по условиям безотрывности закручен� ной струи воздуха, вышедшего из решетки ветро� турбины, предложена следующая связь функции ϕ (ν) с аэродинамическими параметрами воздуш� ного потока в лопастной решетки: ϕ (ν) = С2a/С2u . (3) В энергетической теории [1] показывается, что осевая скорость выхода потока С2a определя� ется соотношением: С2a = Km С1a (Km — коэффици� ент торможения скорости в связи с передачей ча� сти кинетической энергии воздушного потока ло� пастной решетке; С1a — осевая скорость воздуха при входе в решетку), а скорость поворота потока в решетке С2u = Kг С1а, где Kг — коэффициент цир� куляции вихря. Тогда выражение (3) с учетом указанных замен примет вид: ϕ (ν) = Km /Kг . (4) Коэффициенты Km и Kг можно представить с помощью тригонометрических функций [1]: Km = Св sin α2, Kг = Св cos α2, (5) где Св — коэффициент режима работы, Cв = C2/C1 [1], α2 — угол в треугольнике скоростей между вектором абсолютной скорости C2 выхода потока из решетки и направлением вращения ветротур� бины. После подстановки (5) в соотношение (4) по� лучаем: ϕ (ν) = tg α2 . (6) Таким образом функция ϕ (ν) определяется углом потока воздуха α2, отражающего закручен� ность струи воздуха, вышедшего из решетки вет� ротурбины. Если коэффициенты торможения скорости Km и коэффициенты циркуляции Kг выразить че� рез коэффициенты режима работы Св [1], то по� лучим следующее выражение [1]: . (7) где е — коэффициент энергообмена между воздуш� ным потоком и лопастной решеткой, 0,8 ≤ e ≤ 1,0; μ — коэффициент уменьшения кинетической энер� гии в межлопастном канале решетки ветротурби� ны вследствие турбулентной структуры потока воздуха, μ = 0,77 [1]. Вводя (7) в выражение (4) получаем связь функции ϕ (ν) с коэффициентами режима работы Св при е = 0,85, μ = 0,77 в следующем виде: . (8) Так как функции ϕ (ν) и Ψ(Св) равноправны и, выражая tg α2, равны, т. е. Ψ(Св) = ϕ (ν), то, имея из результатов аэродинамического расчета значение коэффициентов Km и Kг, а также коэф� фициента Св, можно определить величину геомет� рического параметра — относительного диаметра втулки ветротурбины. Пример такого определе� ния величины представлен на Рис. 1, где изобра� жены функции ϕ (ν) и Ψ(Св), а также зависимость α2 (Св). Все графические зависимости на Рис. 1 и построения для определения значения выполне� ны для ветротурбины Т600�48. При расчетном значении Св = 1,275 величина Ψ(Св) = 0,9612. Пе� ресечения прямой Ψ(Св) = 0,9612 с кривой Ψ(Св) дает точку А, которой соответствует ν = 0,197 и угол α2 = 43,6 °; Св = (Св)р = 1,275 (Рис. 1). Как видно из Рис. 1, вид функции ϕ (ν) и Ψ(Св) идентичен, а при ν > 0,175 различия в их значениях невелики, а относительное отклонение этих значений, убывая при ν > 0,2, до ε ≤ 0,05. Величину угла выхода α2 потока воздуха можно вычислить, пользуясь выражением: . (9) либо из соотношения: α2 = arctg ϕ (ν). (10) Следует отметить, что на Рис. 1 шкала значе� ний относительных диаметров втулки ν кривой ϕ (ν) (2) соответствует шкале коэффициентов ре� жима работы Св, в частности, при расчетном для Н А У К А — Н А У К О В О � Т Е Х Н І Ч Н О М У П Р О Г Р Е С У В Г І Д Р О Е Н Е Р Г Е Т И Ц І Гідроенергетика України, 3/2010, ISSN 1812�92773434 ветротурбины значении (Св)р = 1,275 [1]. В энер� гетической теории [1] принято, что диапазон рас� четных значений коэффициентов режима работы составляет: 1,2 ≤ Св ≤ 1,45. Из Рис. 1 следует, что увеличение коэффициентов Св приводит к возрас� танию относительного диаметра втулки. Это нахо� дится в полном соответствии с выводами И. В Бру� силовского [2], т.к. повышение коэффициентов режима работы, или, что равнозначно — количе� ство кинетической энергии движущегося через ветротурбину воздушного потока приводит к ин� тенсификации вторичных течений вблизи огра� ничивающих поверхностей лопастей и втулки ве� тротурбины; вовлечению в закрученную струю, выходящую из лопастной решетки ветротурбины больших объемов воздуха; образованию срывных зон в пограничных слоях и, как следствие, увели� чению интенсивности и масщтабов статистичес� кой турбулентности [3] потока воздуха в ветро� турбине. Увеличение коэффициентов Св > 1,3 приводит к возрастанию величины относительного диаметра втулки ν > 0,2 (Рис. 1). При значениях Св < 1,3 ве� личина ν снижается, и при Св < 1,1 может дости� гать значений ν < 0,05. Так как коэффициенты ре� жима работы напрямую определяют значения ко� эффициентов использования энергии ветра: , то можно заключить, что ветро� турбины, имеющие величину ν ≤ 0,05 обладают низкими коэффициентами Ср < 0,2. Как показывают статистические данные [1], большинство ветротурбин, находящихся в банке денных, имеют расчетные значения коэффициен� тов режима работы Св = 1,18 … 1,25 (коэффициен� ты Ср = 0,18 … 0,26), а соответствующие им вели� чины относительного диаметра втулки ветроко� леса составляют ν = 0,1 … 0,2. При этом обеспечивается конфузорный аэро� динамический режим работы гидродинамической решетки ветротурбины и высокий КПД ветроаг� регата, обусловленный упорядоченным, с мини� мальными затратами энергии, движением воз� душного потока в проточной части ветротурбины. Выводы 1. Использование уравнения [2] в сочетании с результатами энергетической теории позволяют выразить это уравнение, применительно к ветро� турбинам, в виде отношения коэффициента тор� можения скорости, характеризующего энергооб� мен в лопастной решетки между потоком воздуха и решеткой ветротурбины, и коэффициентом циркуляции — двумя параметрами, отражающи� ми два основных аэродинамических процесса в ветродвигателе. 2. Развитие идеи [2] с помощью энергетичес� кой теории позволяет связать один из основных геометрических параметров ветротурбины — от� носительный диаметр втулки ν — с основными аэ� родинамическими характеристиками воздушного потока — энергообменом и циркуляцией вихря. Последнее позволило предложить простой и на� дежный метод определения минимальной вели� чины относительного диаметра втулки, при кото� рой не происходит отрыва потока от поверхнос� тей втулки и лопасти вследствие влияния закру� ченной струи воздуха, выходящего из каналов ре� шетки. Сопоставление рассчитанного этим мето� дом относительного диаметра втулки ветротурби� ны Т600�48 с опытным (имеющим место в реаль� ной ветротурбине) значения показывает погреш� ность 1 %. Рис. 1. Расчетные кривые: а —зависимость параметра m от относительного диаметра втулки ветротурбины ν; б — к определению минимального значения относительного диаметра втулки ветротурбины Т�600�48 Гідроенергетика України, 3/2010, ISSN 1812�9277 3535 Н А У К А — Н А У К О В О � Т Е Х Н І Ч Н О М У П Р О Г Р Е С У В Г І Д Р О Е Н Е Р Г Е Т И Ц І 3. Предложенный в данной работе метод оп� ределения величины относительного диаметра втулки ветротурбины может быть использован при проектировании ветротурбины с горизон� тальной осью вращения любой мощности. При этом появляются предпосылки для повышения КПД и надежности работы ветроагрегата за счет упорядочивания структуры потока воздуха в ка� налах ветротурбины при снижении масштабов и коэффициентов интенсивности турбулентности потока. 4. Особенностью данного метода определения величины относительного диаметра втулки явля� ется согласованность его с коэффициентом тор� можения скорости Km, характеризующим энерго� обмен между потоком воздуха и решеткой ветро� турбины, и с коэффициентом циркуляции Кг, ха� рактеризующим энергетические возможности: аэ� родинамический (движущий, крутящий) момент и мощность ветротурбины. При этом определение величины v выполняется с учетом аэродинамиче� ских особенностей движения потока воздуха вблизи втулки ветроколеса [1, 2, 5]. ЛИТЕРАТУРА 1. Белопольский В.А. Энергетическая теория и аэроди� намический расчет горизонтально�осевых ветротурбин / В.А. Белопольский. — Харьков, 2008. —493 c. 2. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов и элементы их конструкций / И.В. Брусиловский, А.Р. Бу� шель, К.А Ушаков. — М.: Госгортехиздат, 1960. — 419 с. 3. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лой� цянский. — М.: Наука, 1970 — 572 с. 4. Вашкевич К.П. Исследование структуры потока за вращяющимся ветроколесом при косой обдувке / К.П. Ваш� кевич. // Промышленная аэродинамика., Сб. научн. тр. ЦА� ГИ, — М. "Оборонгиз", 1957 — вып. 8. — 226. с. 5. Сабинин Г.Х. Структура воздушного потока в зоне вращяющегося ветроколеса/ Г.Х. Сабинин // Промышлен� ная аэродинамика., Сб. научн. тр. ЦАГИ, — М. "Оборонгиз", 1959 — вып. 13. — 124. с. 6. Белопольский В.А. Геометрические параметры гори� зонтально�осевых ветротурбин// Гидроэнергетика Украи� ны. —2009 — № 4. — С. 54—56. © Белопольский В. А., Яковлев А.И., Легошин Д. В., Вязовик К.Л.,., 2010 �

Графоаналитический метод определения относительного диаметра втулки ветротурбины

Репозитарії

Схожі ресурси